DE19711756A1 - Coating light metal alloy workpiece - Google Patents

Coating light metal alloy workpiece

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Abstract

Coating light metal alloy workpiece surfaces, especially the cylinder running faces of reciprocating piston engines, involves applying a silicon supersaturated light metal alloy by thermal spraying of a powder alloy having a silicon-containing light metal matrix and a total silicon content of 20-60 (especially 25-40)%. The powder alloy consists of a magnesium or aluminium matrix, which either (i) contains 9-25 (especially 12)% Si and is mixed with 15-40 (especially 25)% Si crystals or (ii) contains the entire Si content, and is applied by plasma spraying in nitrogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetall-Legierungen, insbesondere der Zylinderlaufflä­ chen von Hubkolbenmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for coating surfaces of Workpieces made of light metal alloys, especially the cylinder barrel Chen of reciprocating machines, according to the preamble of the claim 1.

Ein derartiges Verfahren beschreibt beispielsweise die EP 176 803 A1, bei der die Zylinderlaufflächen eines aus einer Aluminium-Silizium-Leichtmetall-Legie­ rung gegossenen Zylinderkurbelgehäuses einer Hubkolben-Brennkraftma­ schine mit Silizium bestrichen und mittels einem Laserstrahl aufgeschmolzen werden, so daß sich eine mit Silizium übersättigte Randschicht mit verbesserten Verschleißeigenschaften bildet. Problematisch an diesem Verfahren ist jedoch die Schaffung einer homogenen Oberflächenstruktur sowie die fertigungstech­ nische Beherrschbarkeit.Such a method is described, for example, in EP 176 803 A1, in which the cylinder treads made of an aluminum-silicon-light metal alloy tion cast cylinder crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine coated with silicon and melted using a laser beam be, so that a surface layer oversaturated with silicon improved with Forms wear properties. However, this method is problematic the creation of a homogeneous surface structure as well as the manufacturing tech African controllability.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art aufzuzei­ gen, mit dem tribologisch günstigere und fertigungstechnisch besser be­ herrschbare Beschichtungen geschaffen werden.The object of the invention is to record a method of the generic type gene with which tribologically cheaper and better manufacturing technology be prevailing coatings can be created.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar. This object is achieved with the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are the other claims.  

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf das Werkstück eine pulverförmige Legierung mit einer Leichtmetall-Matrix, insbesondere einer Aluminium-Matrix, mit 20-60% Silizium, insbesondere 25-40% Gesamtsiliziumgehalt, thermisch aufzuspritzen. Als besonders geeignet hat sich dabei das Plasmaspritzverfah­ ren in stickstoffhaltiger Umgebung herausgestellt.According to the invention it is proposed to put a powder on the workpiece Alloy with a light metal matrix, in particular an aluminum matrix, with 20-60% silicon, in particular 25-40% total silicon content, thermally spray on. The plasma spraying process has proven particularly suitable exposed in a nitrogenous environment.

Es kann entweder eine 9-25% Si-Anteil aufweisende, pulverförmige Leichtme­ tallmatrix und der Rest Si-Kristalle oder eine den Gesamtsiliziumgehalt aufwei­ sende Leichtmetallmatrix verwendet werden.It can either have a 9-25% Si content, powdery Leichtme tallmatrix and the rest Si crystals or the total silicon content sending light metal matrix can be used.

Besonders vorteilhaft ist die Beschichtung, wenn die Korngröße der Silizium­ kristalle etwa 4-30 µm beträgt und wenn die Siliziumkristalle, die in dem Ma­ trixwerkstoff bzw. in dem Aluminium ausgeschieden sind, als Primärsiliziumkri­ stalle vorliegen. Dadurch wird eine sehr feinkörnige, homogene Beschichtung geschaffen, deren hervorragende Kohäsion zum Grundwerkstoff eine hohe Le­ bensdauer gewährleistet.The coating is particularly advantageous if the grain size of the silicon crystals is about 4-30 µm and if the silicon crystals in the Ma trix material or in which aluminum is excreted, as primary silicon crystals stable. This creates a very fine-grained, homogeneous coating created, whose excellent cohesion to the base material a high Le guaranteed life.

Gemäß den Ansprüchen 9 und 10 liegt eine bevorzugte Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens an Zylindergehäusen von Hubkolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, in der Herstellung von verschleißfesten und tribologisch besonders günstigen Zylinderlaufflächen, wobei die Zylinder­ gehäuse bevorzugt eine Aluminium-Silizium-Legierung mit bis zu 17% Silizi­ umgehalt aufweisen; die Legierung kann ferner übliche Zusätze wie Kupfer, Magnesium etc. sowie die üblichen Verunreinigungen aufweisen.According to claims 9 and 10, a preferred application of the inventions method according to the invention on cylinder housings of reciprocating piston machines, especially internal combustion engines, in the manufacture of wear-resistant and tribologically particularly favorable cylinder running surfaces, the cylinders Housing prefers an aluminum-silicon alloy with up to 17% silicon have content; the alloy can also contain conventional additives such as copper, Magnesium etc. as well as the usual impurities.

Die Beschichtung kann bei der vorgenannten Anwendung in einer Stärke von 30-500 µ, insbesondere 50-200 µ aufgebracht werden. Es hat sich dabei ge­ zeigt, daß die genannte Beschichtung bei Einsatz eines geeigneten Honverfah­ rens relativ leicht zu bearbeiten ist und eine hohe Oberflächenqualität mit ge­ ringen Rauhigkeitswerten und tribologisch günstigen, schmierstoffhaltigen Po­ ren aufweisen kann. The coating can have a thickness of 30-500 µ, in particular 50-200 µ can be applied. It has happened shows that the coating mentioned when using a suitable Honverfah rens is relatively easy to work with and a high surface quality wrestle roughness values and tribologically favorable, lubricant-containing bottom ren can have.  

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelhei­ ten näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the following with further details ten described in more detail.

AusführungsbeispielEmbodiment

Bei einem Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit 17% Silizium wurde nach dem Bohren der Zylinder auf ein definiertes Rohmaß durch Plasmasprit­ zen in einem Argon-Plasma und unter Schutzgas (Stickstoff) eine Laufflächen­ beschichtung aufgebracht.With a cylinder crankcase for a reciprocating piston internal combustion engine a hypereutectic aluminum-silicon alloy with 17% silicon after drilling the cylinders to a defined raw size using plasma fuel zen in an argon plasma and under protective gas (nitrogen) a tread coating applied.

Dabei wurde eine Legierung in Pulverform mit einer Partikelgröße von 4 bis 80 µm und folgender chemischer Zusammensetzung verwendet:
An alloy in powder form with a particle size of 4 to 80 µm and the following chemical composition was used:

Si 30%
Rest Al und übliche Beimengungen.Si 30%
Balance Al and usual admixtures.

Diese Legierung - die durch Verdüsen von Aluminium und Silizium hergestellt ist - weist primär ausgeschiedene Siliziumkristalle mit einer Korngröße von etwa 4-30 µm auf, die globular ausgeschieden sind und in das Matrixmaterial Alu­ minium eingebettet sind.This alloy - made by atomizing aluminum and silicon is - has primarily precipitated silicon crystals with a grain size of approximately 4-30 µm, which are globular and in the matrix material Alu minium are embedded.

Beim Plasmaspritzen dieser Legierung unter Schutzgas und in Stickstoffumge­ bung (Spülung der Oberfläche mit N2) wird aufgrund der teilweisen Verschmel­ zung und der schnellen Erstarrung auf dem Grundwerkstoff (Zylinderkurbelgehäuse) eine homogene Beschichtung mit einer feinen, gleich­ mäßigen Verteilung der Siliziumkristalle in einer Stärke von 200 µm und mit ei­ ner definierten Porosität geschaffen. When this alloy is sprayed under a protective gas and in a nitrogen atmosphere (purging the surface with N 2 ), a homogeneous coating with a fine, uniform distribution of silicon crystals with a thickness of 200 µm and created with a defined porosity.

Nach dem Aufbringen der Beschichtung wurden die Zylinderlaufflächen zur Herstellung der geforderten geometrischen Genauigkeit und Oberflächenbe­ schaffenheit gehont, wobei die Honoperation in zwei Stufen erfolgte. Anschlie­ ßend wurde eine weitere Honoperation mit einem Werkzeug durchgeführt, das mit duktilen SiC-haltigen Leisten bestückt war. Bei dem letztgenannten Arbeits­ gang wurde der Matrixwerkstoff der Beschichtung gegenüber den Si-Kristallen zurückgesetzt.After the coating had been applied, the cylinder running surfaces became Production of the required geometric accuracy and surface finish honed the skill, with the honing operation taking place in two stages. Then Another honing operation was performed with a tool that was equipped with ductile SiC-containing strips. With the latter work became the matrix material of the coating compared to the Si crystals reset.

Die so gebildeten Laufflächen weisen eine hohe Härte sowie Zähigkeit auf, bei hervorragenden tribologischen Eigenschaften. Sie sind gut zerspanbar bzw. honbar, so daß eine geringe Mikrorauhigkeit bei einer gezielten Porosität vor­ liegt. Ferner weisen diese Laufflächen gute Dämpfungseigenschaften auf. Auf­ grund der gleichen Werkstoffpaarung (Grundmaterial zur Beschichtung) wird eine temperaturunempfindliche, dauerhafte Anhaftung der Beschichtung erzielt; ferner ist eine problemlose Entsorgung bzw. Recycling des Zylinderkurbelge­ häuses ermöglicht. Der vorgeschlagene Verbundwerkstoff ist kostengünstig, gut beherrschbar in seiner Spritzbarkeit (prozeßsicher) und ermöglicht eine hohe Pulverausbeute.The treads thus formed have a high hardness and toughness excellent tribological properties. They are easy to machine or honable, so that a low micro-roughness with a targeted porosity lies. Furthermore, these treads have good damping properties. On due to the same material pairing (base material for coating) achieves a temperature-insensitive, permanent adhesion of the coating; furthermore is a problem-free disposal or recycling of the cylinder crank house enables. The proposed composite is inexpensive, good controllable in its sprayability (reliable) and enables a high Powder yield.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Als thermisches Spritzverfahren kann auch Flammspritzen, Laserspritzen etc. eingesetzt sein. Anstelle von Zylinderlaufflächen können auch andere aus Leichtmetall hergestellte Bauteile, z. B. Tassenstößel der Ventilsteuerung, Öl­ pumpengehäuse, etc. beschichtet werden. Anstelle einer Aluminiumlegierung als Substrat kann auch eine Magnesiumlegierung verwendet sein. Schließlich kann auch einer Leichtmetallmatrix mit einem geringerem Si-Gehalt (z. B. 12% Si) ein Si-Pulver in einer Menge von 25% (zur Gesamtlegierung) in einer Korn­ größe von 20 bis 45 µm zugesetzt werden.The invention is not limited to the exemplary embodiment described. Flame spraying, laser spraying etc. can also be used as a thermal spraying method. be used. Instead of cylinder treads, others can also Components made of light metal, e.g. B. tappet of the valve control, oil pump housing, etc. are coated. Instead of an aluminum alloy A magnesium alloy can also be used as the substrate. Finally can also be a light metal matrix with a lower Si content (e.g. 12% Si) an Si powder in an amount of 25% (to the total alloy) in one grain size from 20 to 45 µm can be added.

Claims (10)

1. Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen von Werkstücken aus Leicht­ metall-Legierungen, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Hubkolben­ maschinen, durch Aufbringen einer mit Silizium übersättigten Leichtmetall- Legierung, gekennzeichnet durch die Verwendung einer pulverförmigen Le­ gierung mit einer Silizium aufweisenden Leichtmetall-Matrix und einem Ge­ samt-Siliziumgehalt von 20-60%, insbesondere 25-40% Silizium, die auf die Oberfläche thermisch aufgespritzt wird.1. A method for coating surfaces of workpieces made of light metal alloys, in particular the cylinder surfaces of reciprocating machines, by applying a light metal alloy oversaturated with silicon, characterized by the use of a powdery alloy with a silicon-containing light metal matrix and a Ge velvet silicon content of 20-60%, in particular 25-40% silicon, which is thermally sprayed onto the surface. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall­ matrix 9 bis 25%, insbesondere 12% Si aufweist und daß 15 bis 40% Si- Kristalle, insbesondere 25% Si-Kristalle der Legierung beigemischt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the light metal matrix has 9 to 25%, in particular 12% Si and that 15 to 40% Si Crystals, in particular 25% Si crystals are added to the alloy. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall­ matrix den gesamten Si-Anteil enthält.3. The method according to claim 1, characterized in that the light metal matrix contains the entire Si portion. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Siliziumanteil der Legierung als Primärsiliziumkristalle mit einer Korngröße von 1-50 µm, insbesondere 4-30 µm, vorliegt.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized ge indicates that a silicon portion of the alloy as primary silicon crystals with a grain size of 1-50 microns, especially 4-30 microns, is present. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärsilizi­ umkristalle globular ausgeschieden sind. 5. The method according to claim 4, characterized in that the primary silicon umkristalle globular excreted.   6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Leichtmetall-Matrix Magnesium oder Aluminium verwendet wird.6. The method according to claims 1-5, characterized in that as Light metal matrix magnesium or aluminum is used. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schichtung im Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird.7. The method according to claims 1-6, characterized in that the loading Layering is applied by plasma spraying. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmasprit­ zen in Stickstoffumgebung bzw. bei einer Stickstoffspülung der Oberfläche durchgeführt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the plasma fuel zen in a nitrogen environment or with a nitrogen purge of the surface is carried out. 9. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche an einem Zylindergehäuse einer Hubkolbenmaschine, insbeson­ dere Brennkraftmaschine, aus einer Leichtmetall-Legierung, insbesondere einer überwiegend Aluminium-Silizium-haltigen Legierung mit bis zu 17% Si­ liziumgehalt, Rest Aluminium mit üblichen Legierungszusätzen und Verun­ reinigungen.9. Application of the method according to one or more of the preceding Claims on a cylinder housing of a reciprocating machine, in particular internal combustion engine, made of a light metal alloy, in particular a predominantly aluminum-silicon-containing alloy with up to 17% Si silicon content, remainder aluminum with usual alloy additives and Verun cleanings. 10. Anwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich­ tung nach einer mechanischen Vorbearbeitung der Zylinderbohrung in einer Stärke von 30-500 µm, insbesondere 50-200 µm, aufgebracht wird.10. Application according to claim 9, characterized in that the coating after mechanical pre-machining of the cylinder bore in one Thickness of 30-500 microns, especially 50-200 microns, is applied.
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